引言

2007年5月31日、7月1—2日发生在湖北黄石境内的雷雨、大风给当地造成了重大经济损失，降水的第1个小时均达到短时暴雨(降水量≥16 mm/h)降水量。5月31日，雷雨大风造成该市79间房屋倒塌，经济损失达到347万元。7月1日晚20时至2日上午，黄石再次经历了暴雨雷电的袭击，城区降雨量达119.8 mm，农作物受灾面积1979 hm²，倒塌房屋251间，全市直接经济损失1075万元，是2007年入夏以来涉及范围最广、经济损失最严重的一次。

以往对暴雨的研究主要从个例的天气系统过程、中尺度数值模拟等方面进行分析，较少关注大气边界层物理量场的变化^{[1-2, 21]}，强降水过程近地层物理要素是否有异常变化，降水前近地层湍流活动是怎样的，有待近地面层的观测、分析。

近年来，铁塔观测及先进的超声风观测资料在气象部门得到引用。张光智等^[3]采用铁塔上布设的风梯度观测资料及超声风温仪观测资料对北京及周边一次罕见大雾过程边界层动力特征进行分析，指出北京及周边地区起雾前10小时，边界层低层的扰动动能有强的前期异常信号出现。胡泽勇等^[4]利用超声湍流观测系统分析了我国西北地区一场沙尘暴过境时地面气象要素的变化以及地表能量平衡变异特征，发现风向调整后风速加大同时伴有很强的上升气流，过境前后地表能量平衡关系遭到破坏^[5]。庞加斌等^[6]采用布置在上海市近郊开阔区域离地20 m高度的CSAT3D型超声风温仪研究浦东地区近地强风特性，宋丽莉等^[7]研究了广东沿海近地层大风特性，对沿海台风多发区结构工程抗风设计中风参数取值给出了依据。由于铁塔梯度观测资料十分有限，对暴雨、大雾、沙尘暴等灾害性天气过程近地层气象要素变化和大气湍流特征的认识仍很不够。

文章利用黄石长江边铁塔梯度观测仪、气温、湿度观测资料分析这两次暴雨过程前后温湿度、平均风向和风速，使用铁塔30 m处的超声风温仪观测资料计算降水前水平和垂直气流速度、扰动动能、湍流强度和湍流通量，进一步认识区域强降水的近地层物理要素的变化。

1 资料与方法 1.1 资料来源和预处理

观测铁塔高50 m，位于湖北黄石长江水道南岸的平坦江滩(图 1)，每10 m布设了一层ZQZ-TF型梯度测风自动气象观测站并在30 m处安放了超声风温仪(美国R.M.Young公司生产的CR8100型，每秒10次观测采样)以及气温和湿度观测，观测时间为2006年9月至2008年6月。并使用了相应时间段1日4次的NCER/NCEP高度、温度、风速和垂直速度的再分析资料。黄石气象站提供了逐分钟降水资料。

文章选取了铁塔30 m高度风向风速仪、温湿观测仪记录的5月31日和7月1日暴雨过程(表 1为黄石站记录的降水资料)及前后的两个时段(5月30日16时至6月1日23时，6月30日22时至7月3日08时)，经检验，观测资料中没有缺测数据，是可用的。同时选取了同层两场暴雨前超声风温仪观测资料，时段取5月31日02:00—05:50和7月1日15:00—20:10。

由于降水对超声风温仪的观测结果有较大影响，以前的研究中都直接剔除了降水时段的观测值。如庞加斌、宋丽莉等^[6-7]的工作在选择大风日时均没有采用降水天气时段的资料。本文在使用超声风温仪观测资料时同样剔除了降水过程的数据。

对降水前原始湍流资料除去野点，除去由于外界环境干扰或仪器内部误差产生的异常值^[8]。宋丽莉等^[9]在使用CAST3D型超声风温仪研究登陆台风近地层湍流特征时，对每个30分钟的样本的时间序列采用二项式拟合方法去倾处理。本文用方差检验^[10]方法进行野点值剔除检验，检验判据为|x_i-x|≥n×σ_x(3≤n≤6)，其中，x_i是测量值[u (t)、v (t)、w (t)]，x是30分钟均值，σ_x是样本标准差。本文取n值为4，以30分钟为移动窗口分别对5月31日和7月1日的降水前数据进行野点值检验。经检验, 有效资料所占比例均大于99.99%。

1.2 计算方法

超声风温仪记录的每小时样本包含的实测三维风速u (t)、v (t)、w (t)和虚温t (t)。文中用虚温值代替温度值，计算的基本时距取为1分钟。

水平平均风速U和风向角φ由下式计算^[11-12]：

$U=\sqrt{{{\overline{u\text{ }\left( t \right)}}^{2}}+{{\overline{v\text{ }\left( t \right)}}^{2}}}$

(1)

$\varphi =\text{arc}tg\left[ \overline{v\text{ }\left( t \right)}/\overline{u\text{ }\left( t \right)} \right]$

(2)

垂直方向与仪器坐标z轴相同，因此垂直平均气流速度为：

$W=\overline{w\text{ }\left( t \right)}$

(3)

平均温度为：

$T=\overline{t\text{ }\left( t \right)}$

(4)

将仪器坐标旋转φ角，使仪器所测U与主风向一致。所得坐标x、y、z轴分别代表主导风u (t)、侧风v (t)和垂直风向w (t)(与仪器坐标相同)，则u (t)、v (t)在x、y轴的投影u′(t)为纵向(主风向)脉动风速、v′(t)为横向(侧风向)脉动风速，由下式计算：

$u\prime \left( t \right)=u\text{ }\left( t \right)\cos \phi +v\text{ }\left( t \right)\sin \phi -U$

(5)

$v\prime \left( t \right)=-u\text{ }\left( t \right)\sin \phi +v\text{ }\left( t \right)\cos \phi $

(6)

垂直脉动风速w′(t)由式(7) 给出：

$w\prime \left( t \right)=w\text{ }\left( t \right)-W$

(7)

扰动温度t′(t)的计算为：

$t\prime \left( t \right)=t\text{ }\left( t \right)-T$

(8)

湍流动能特征k′(t)采用以下公式计算^[11-14]：

$k\prime \left( t \right)=\frac{1}{2}[u\prime {{\left( t \right)}^{2}}+v\prime {{\left( t \right)}^{2}}+w\prime {{\left( t \right)}^{2}}]$

(9)

湍流强度反映了风的脉动强度，定义湍流强度为1分钟时距内的脉动风速标准差与平均风速的比值:

${{I}_{i}}={{\sigma }_{i}}/U\text{ }\left( i=u、v、w \right)$

(10)

其中σ_i分别表示风速的标准差： ${{\sigma }_{u}}={{[\overline{u\prime {{(t)}^{2}}}]}^{1/2}},{{\sigma }_{v}}={{[\overline{v\prime {{(t)}^{2}}}]}^{1/2}},{{\sigma }_{w}}={{[\overline{w\prime {{(t)}^{2}}}]}^{1/2}}$ 。

在计算通量特征时，u_*为摩擦速度^[20]

${{u}_{*}}\left( t \right)={{\left\{ {{\left[ {{\overline{u\prime \left( t \right)\text{ }w\prime \left( t \right)}}^{2}}+\overline{v\prime \left( t \right)\text{ }w\prime \left( t \right)} \right]}^{2}} \right\}}^{1/4}}$

(11)

动量垂直输送特征τ_zx计算如下：

${{\tau }_{zx}}=-\overline{\rho \text{ }u\prime w\prime }\text{ }$

(12)

感热湍流通量F_H的公式为：

${{F}_{H}}=\rho \text{ }{{c}_{p}}\overline{w\prime \theta \prime }$

(13)

为方便计算，文章中湍流动量通量和感热通量分别用u′(t) w′(t)和t′(t) w′(t)计算。

考虑谱隙的影响，本文以30分钟为基本观测时段对观测数据分别做30分钟平均，脉动值等于原始观测数据(0.01分钟)减去30分钟平均值^[15]，用脉动值计算暴雨前近地层的湍流动能、湍流强度以及动量和感热通量。

2 环流形势演变特征和影响天气系统

2007年5月30日20时在500 hPa高度场上，欧亚中高纬地区维持两槽一脊环流形势, 贝加尔湖、河套西部至西藏中部为东北—西南向冷槽, 另一槽位于日本海，我国东北至华北地区为高压脊, 湖北省处于西太平洋副热带高压西北侧的(584 dagpm线附近)西南气流中；200 hPa，湖北省处高空急流右侧的辐散区；700 hPa，5月30日20时至31日08时, 湖北中部始终维持一条东西向切变线，最大风速为16 m·s^-1的西南急流中心出现在鄂东上空。31日08时, 冷槽东移到蒙古、河套至四川中部, 湖北仍为槽前西南暖气流所控制。副热带高压稳定少动，其西侧的西南暖湿气流源源不断地把水汽输送到鄂东上空，与北方南下的冷空气交绥，为强降水提供了动力和热力条件。

2007年7月1—2日的暴雨发生在湖北省梅雨期。1日08时前，500 hPa上在贝加尔湖西部有一冷低压中心, 贝加尔湖东侧为高压脊, 中纬度地区环流平直而多波动。08时槽线位于济南—徐州—南阳一带，副高有所增强，脊线抬至25°N附近，鄂东处于西太平洋副热带高压西北侧584 dagpm线附近，西南暖湿气流提供了充沛的水汽和不稳定能量；850 hPa鄂西北的风反气旋曲率明显，鄂东有明显的风速辐合的低空急流。地面低压中心位于渤海湾东部，冷空气从华北东北部南下, 与北上的副热带高压携带的暖湿气流相遇, 建立了一条准东西向锋区带。20时西风槽东移至115°E附近，地面冷锋过黄石市，冷暖空气交绥触发了暴雨的产生。

3 暴雨前近地层风场分析 3.1 基本气象要素变化

前人研究表明，暴雨前边界层的风速是增大的^[16]，地面配合有能量锋^[17]，民间也有谚语“风是雨的头，风是雨的尾”、“山雨欲来风满楼”，反映出风对于暴雨的超前变化。

图 2是两场暴雨过程或地面冷锋过境前后根据铁塔30 m处风向风速仪、温湿观测仪观测气象要素的时间演变实况。可以看到：5月31日暴雨前风向经历了2次调整，30日16—18时，风向由西风快速转变为东南风，风速从1.3 m·s^-1增大至3.8 m·s^-1。之后风向基本维持在东南风，风速继续增大，在30日21时达到峰值8.1 m·s^-1。31日05—06时风向第2次调整，由东风转为北风，风速从02时明显增大，05时再次达到峰值6.9 m·s^-1。降水结束后风向维持在西北风，风速在6月1日12时增至6.3 m·s^-1的峰值。暴雨前温度下降，湿度增大，30日18至31日05时，温度在25.9 ℃左右，湿度在85%左右，05—06时，温度从25.6 ℃降至22.9 ℃，湿度从87%增至97%；降水结束后，湿度逐渐降至76%，温度变化平缓(图 2a)。

7月1日这场暴雨，6月30日22时至7月1日23时，平均风向经过了2次调整：7月1日19时前风向一直为东风，19时后一度转为西南偏西风，后又迅速转为东风；19—23时，风向从东风逐步调整为西南风、西北偏北风后，又迅速转为东南偏东风。后一次调整过程中，即20时开始降水，冷锋过境，此后风向稳定少变，从7月1日23时至7月3日08时，基本维持为偏东风。降水前，风速明显增大，18时达到6.1 m·s^-1的峰值, 温度在30 ℃左右，湿度在80%左右。临近降水时，即19—20时温度从29 ℃降至26 ℃，湿度从82%增至94%。暴雨结束后，温度缓慢回升，湿度缓慢下降。风速在雨后逐渐增大，7月2日傍晚达到6.2 m·s^-1的峰值后逐步减小(图 2b)。平均风速在暴雨前后均出现峰值，正是“风是雨的头，风是雨的尾”，它在暴雨前3、4小时逐步增大的特征用超声风温仪观测、计算。

3.2 超声风温仪观测的水平与垂直气流速度变化

图 3为两场暴雨前，根据超声风温仪观测结果绘制的10分钟平均的水平和垂直气流速度随时间的变化。可以发现暴雨前3、4小时近地层水平和垂直气流速度明显逐步增大，与普通观测仪器结果一致。5月31日02:00—02:40期间，10分钟水平风速从3.95 m·s^-1增至6.03 m·s^-1，之后在5.03~7.22 m·s^-1之间波动变化。5:00—5:10时段的10分钟水平风速达到最大值7.22 m·s^-1；7月1日15:00—16:30期间，10分钟水平风速从2.22 m·s^-1增至6.39 m·s^-1，之后在4.0~6.8 m·s^-1之间波动变化。17:40—17:50时段的10分钟水平风速达到最大值6.83 m·s^-1。

使用1日4次的NCER/NCEP地面再分析资料，对这两场暴雨发生前地面sig995层的黄石地区进行分析，发现5月31日00时及7月1日18时，黄石均处于强辐合中心，(30°N、110°E)附近的垂直速度分别接近-35 Pa·s^-1和-20 Pa·s^-1，有明显的上升气流。超声风温仪观测资料表明，5月31日5:10之前垂直气流速度为正值，02:00—02:40期间，风速从0.47 m·s^-1增至0.64 m·s^-1, 之后在0.52~0.86 m·s^-1之间波动。05:00—05:10风速达到最大值0.86 m·s^-1。垂直气流速度与水平风速在时间演变上有较好的一致性。05:00—05:20，垂直气流速度快速上下振荡；7日1日20:11的降水前近地层的垂直速度为正值，即近地层大气以辐合上升运动为主，15:00—18:20风速达到最大值0.85 m·s^-1。与5月31日暴雨相似的是，垂直气流速度在邻近暴雨的19:40—19:50频繁上下振荡。暴雨前近地层垂直气流速度上下振荡有利于湍流的激发。

3.3 湍流动能特征分析

清晨或傍晚，大气边界层近中性层结，夜间层结稳定，湍流交换微弱，很多学者排除了摩擦速度u_*＜0.1 m·s^-1的观测数据^[18]。本文计算了2007年5月30日20时至31日05时及7月1日14—20时的摩擦速度，发现5月31日暴雨的夜间与7月1日暴雨的正午和傍晚的摩擦速度较大，极少数低于u_*＜0.1 m·s^-1，5月31日00—06时，u_*最大值达到2.76 m·s^-1, 7月1日暴雨临近时u_*达到3.0 m·s^-1。可以说，暴雨前近地层的湍流交换活动比较强。

图 4是利用超声风温仪观测资料计算5月31日暴雨和7月1日暴雨前近地层10分钟平均湍流动能(k')的时间变化。5月31日暴雨5:00前，湍流动能在0.21 m²·s^-2左右变动，05:00—05:10，湍流动能从0.83 m²·s^-2迅速增至7.29 m²·s^-2的最大值。注意到图 2a中风向风速仪观测到风向在05—06时发生切变，图 3a中垂直气流速度在05:00—05:20快速振荡，风向风速切变促进湍流增长。7月1日16:20—19:30，风速波动期间, 湍流动能的平均值低于0. 32 m²·s^-2，19:10—19:30，湍流动能从0.17 m²·s^-2迅速增至3.65 m²·s^-2继续增至8.78 m²·s^-2的最大值。从图 2b平均风向在19—20时的切变及图 3b垂直气流速度在19：40—19：50的频繁振荡来看，风切变有利于湍流动能的发展。可见，暴雨前近地层风切变增大，利于湍流的激发。

3.4 湍流动量通量和感热通量分析

丁一汇等^[19]利用1991年5—7月江淮及其北部地区的地面与高空资料对陆地表面通量进行了估算，表明地表通量与降水过程密切相关，雨期的动量通量略大于非雨期。

考虑到大气中水平方向的湍流通量比垂直方向的湍流通量小得多，可以略去，文章为方便起见，只计算两场暴雨前的垂直动量通量和感热通量。

如图 5所示，5月31日暴雨前01:10—05:00, 湍流动量通量和感热通量上下微弱传递，在05:20—05:30时段，动量通量和感热通量迅速明显增大至峰值。7月1日暴雨前动量通量和感热通量在19:30—19:50时段，湍流动能明显增大后，也迅速增至最大值。两场暴雨动量通量与感热通量明显迅速增大的时段稍落后于各自湍流动能增大的时段，均在降水前20分钟左右切变增大，快速向上传递。

3.5 湍流强度特征分析

图 6是铁塔30 m处超声风温仪观测资料计算的和5月31日和7月1日暴雨前近地层10分钟平均的湍流强度(I_u和I_v是水平湍流强度，I_w是垂直湍流强度)的时程曲线。5月31日01:00—05:00水平湍流强度I_u和I_v均在0.06~0.09之间波动，垂直湍流强度I_w在0.05~0.07之间波动。05:00—05:50, I_u、I_v和I_w分别逐步从0.07增至0.49及从0.05增至0.41和从0.05增至0.32，达到峰值；7月1日15:00—19:30，水平湍流强度I_u和I_v均在0.03~0.09之间波动，垂直湍流强度I_w在0.02~0.06之间波动。19:30—19:50, I_u突然从0.09增至0.29继续增至0.61的峰值，I_w从0.09增至0.19继续增至0.34的最大值，I_v在19:20—20:00时段，从0.09增至0.38的峰值。

湍流强度开始增大的时段与湍流动能、湍流通量切变增大的时段一致，分别在临近暴雨前5分钟和20分钟达到最大值。暴雨前近地层湍流显著变化，湍流动能、湍流通量和湍流强度均切变增大，说明降水前近地层湍流活动比较活跃。同时，湍流特征明显变化的时段恰好与风向突变及垂直气流速度上下频繁振荡的时段一致，说明风切变有利于湍流的激发。

4 小结与讨论

利用湖北黄石长江岸边铁塔梯度观测仪和铁塔30 m处超声风温仪观测资料，对2007年5月31日和7月1—2日两场暴雨前近地层气象要素和湍流特征进行了分析。结果表明：

(1) 降水前温度下降，湿度上升，平均风向发生明显转变，平均风速增大，有利于激发湍流活动。水平风速与垂直速度在时间演变上有较好的一致性，在降水前显著跃升。降水后，风向平缓变化，风速再次增大。垂直速度在降水前频繁上下振荡，有利于动量、感热等通量输送，湍流应力比较强。

(2) 风向切变与垂直气流速度频繁上下振荡有利于湍流的激发。湍流动能在降水前45分钟左右显著增大，湍流动量和感热通量在降水前20分钟左右明显增大，快速向上传递；降水前，湍流动能切变增大后，垂直湍流强度逐步明显增大，有利于湍流活动发展。

以往进行的近地层强风特性或湍流通量观测中，剔除了天气剧烈变化时段超声风温仪观测数据，没有重视对降水前近地层物理量场的研究。本文以黄石的两场暴雨为例，探索降水前近地层的风场和湍流特征，发现降水前近地层风速增大，湍流活动增强。这对认识区域强降水的近地层物理过程是有意义的。后续研究需要更多典型暴雨个例，进行样本降水前近地层物理要素的统计分析，探索降水前物理要素突变的规律，以期为进一步认识暴雨发生前近地面层的物理过程提供依据。

致谢：感谢武汉区域气候中心和黄石市气象局在资料观测过程中的大力支持！